电气控制(三章)

1、第3章 电机调速基本控制线路 负载不变，人为调节转速的过程称为调速。通过改变传动机构转速比的调速方法称为机械调速；通过改变电动机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。 调速的意义主要体现在以下三个方面： (1)提高产品质量。 (2)提高工作效率。 (3)节约能源。 根据原动机的不同，调速分交流调速和直流调速两种。 交流电动机应用广泛的主要是三相异步电动机，根据三相异步电动机的转速公式： n=(1-s)60f / p 可知，三相异步电动机的调速方法有：改变电动机定子绕组的磁极对数P；改变电源频率f；改变转差率S三种。其中改变转差率的方法可通过调定子电压、转子电阻以及采用串级调速、电磁转差

2、离合器调速等来实现。 直流电动机的转速表达式为: n = (U-IR) / Ce 其中U为电枢电压，I为电枢电流，R为电枢回路总电阻，为励磁磁通，Ce为由电机结构决定的电动势常数。由转速表达式可知，直流电动机调速方法有：调节电枢电压U的调速，减弱励磁磁通的调速，改变电枢回路电阻R的调速。对于要求在一定范围内平滑调速的系统，调节电枢电压的调速方法最好。改变电枢电阻只能是有级调速，减弱磁通虽然可实现无级平滑调速，但调速范围不大；通常只是配合调压调速，在基速(即电动机额定转速)以上作小范围的升速。故直流电动机的调速往往以变压调速为主。 3.1 三相异步电动机的基本调速控制线路 由上述可知，三相异步电

3、动机有三种调速方法，即变极调速、变频调速、改变转差率调速。本节分别介绍几种常用的异步电动机调速控制线路。 3.1.1三相笼型异步电动机的变极调速控制线路 变极调速有两种方法：第一种，改变定子绕组的连接方法；第二种，在定子上设置具有不同极对数的两套互相独立的绕组。 改变定子绕组连接来达到改变电动机极对数的原理，可以利用电流产生磁场的现象来清楚地说明。如图3.1.1分别表示定子一相绕组两个线圈相互串联和并联时的两种不同的磁场，线圈中电流的方向如图所示。根据右手螺旋定则，可判断磁场的方向，并且得出磁极的对数。从图中看出，定子一相绕组的两线圈串联时，磁场具有四个极：S、N，S、N即两对磁极，而定子一相

4、绕组的两个线圈相互并联时，磁场具有两个极S、N即一对磁极。 （a）两线圈串联 （b）两线圈并联 图3.1.1一相绕组两线圈串联、并联后产生的磁场 1. 双速电动机的接线方式 1）/YY连接 图3.1.2(a)将绕组的U1、V1、W1三个端钮接三相电源，将U3、V3、W3三个端钮悬空，三相定子绕组接成三角形。这时每相两个半绕组串联，电动机以四极运行为低速。 图3.1.2(b)将U3、V3、W3三个端钮接三相电源，U1、V1、W1连成一点，三相定子绕组接成双星形。这时，每相两个半绕组并联，电动机以两极运行为高速。 (a) 4极接线 (b) 2极接线 图3.1.2 42极双速电动机YY接线图 2）Y

5、/YY连接 图3.1.3(a)将绕组的U1、V1、W1三个端钮接三相电源，将U3、V3、W3三个端钮悬空，三相定子绕组接成星形。这时，每相两个半绕组串联，电动机以4极运行为低速。 图3.1.3(b)将U3、V3、W3三个端钮接三相电源，U1、V1、W1连成一点，三相定子绕组接成双星形。这时，每相两个半绕组并联，电动机以2极运行为高速。 由于/YY连接，虽转速提高一倍，但功率提高不多，属恒功率调速(调速时，电动机输出功率不变)，适用于金属切削机床；Y/YY连接，属恒转矩调速(调速时，电动机输出转矩不变)，适用于起重机、电梯、皮带运输机等。 应当注意，变极调速有“反转向方案”和“同转向方案”两种方

6、法。若变极后电源相序不变，则电动机反转高速运行；若要保持电动机变极后转向不变，则必须在变极同时改变电源相序。 (a) 4极接线 (b) 2极接线 图3.1.3 4/2极双速电动机Y/YY接线图 2. /YY连接双速电动机控制线路 1）接触器控制双速电动机控制线路 用按钮和接触器控制双速电动机的控制线路如图3.1.4所示。图(a)为主电路，KM1为低速接触器，KM2、KM3为高速接触器。KM1动作，绕组接成三角形为低速；KM2、KM3动作，绕组接成双星形为高速。 2）时间继电器自动控制双速电动机的控制线路 时间继电器自动控制双速电动机的控制线路如图3.1.5所示。图中SA是具有三个接点的旋钮开关

7、。 图3.1.4 接触器控制双速电动机控制线路 图3.1.5 时间继电器自动控制双速电动机的控制线路 3. 三速电动机的控制 三速电动机定子有两套绕组，其中一套变极绕组通过YY连接变更极数，设在三角形连接为8极，双星形连接为4极；另一套单独绕组为6极，这样电动机就有了8、6、4三个磁极的转速。低速和高速时与双速电动机一样，定子绕组采用一套双速绕组，能实现/YY两种连接方式，获得高、低两种运行速度，中速时采用另一套星形联结绕组，定子绕组连接如图3.1.6所示。为避免定子绕组出现内部环流，使用双速绕组时，将U2与V1端子连接在一起，使用中速绕组时，将双速绕组的U2与V1端子分开。 图3.1.7是三

8、速电动机变极调速控制电路，主电路KM1(4个主触点)构成低速的三角形联结，KM2构成中速星形联结，KM3、KM4构成高速双星形联结。控制电路中SB1、SB2、SB3分别为低、中、高速起动按钮，SB4为停止按钮。电路采用接触器动断触点互锁，防止主电路出现短路故障。图3.1.6 三速电动机定子绕组连接图 (a)中速星型连接(b)低速三角形连接(c)高速双星型连接 图3.1.7 三速电动机变极调速控制电路 3.1.2 绕线式异步电动机转子串电阻的调速控制线路 绕线式异步电动机可采用转子回路串电阻的方法来实现变差(指转差率S的改变)调速。电动机的转差率S随着转子回路所串电阻的变化而变化，使电动机工作在

9、不同的人为特性上，以获得不同转速，从而实现调速的目的。通常，采用凸轮控制器来实现绕线式异步电动机的调速控制。目前，在起重机、吊车等一类的生产机械上普遍采用。 图3.1.8所示为用KT14-25J1型凸轮控制器控制的绕线式异步电动机的正反转和调速控制线路。在电动机M的转子回路中，串接三相不对称电阻，用于启动和调速。转子回路的电阻和定子电路相关部分与凸轮控制器的各触点连接，通过凸轮控制器触点来换接电动机定子电源相序和切除电阻，实现电动机正反转和调速的控制。 图3.1.8 采用KT14-25J1型凸轮控制器控制电动机正反转和调速控制线路 3.1.3 电磁调速异步电动机的控制线路 1.电磁调速系统的组

10、成和工作原理 图3.1.9为电磁调速异步电动机调速系统，它由异步电动机、电磁转差离合器、晶闸管励磁电源及其控制部分组成。晶闸管直流励磁电源给电磁转差离合器提供励磁电流，通过改变电磁转差离合器的励磁电流即可实现调速之目的。 图3.1.9 电磁转差调速电动机调速系统图 图3.1.10所示为爪极式转差离合器结构示意图，电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，两者之间无机械联系，均可自由旋转。电枢由异步电动机带动，称为主动部分；磁极用联轴节与负载相联，称为从动部分。电枢用整块的铸钢制成，形状像一个杯子，没有绕组。磁极则由铁心和绕组组成，绕组由晶闸管整流电源提供励磁电流。电磁转差离合器结构形式有多种，应用

11、较多的是磁极为爪极的形式。 异步电动机旋转时，带动电磁转差离合器电枢旋转，此时若励磁绕组中没有加入励磁电流，则磁极与负载不转动。若加入励磁电流，则电枢中产生涡流，涡流与磁极的磁场作用产生电磁力，使爪形磁极在电磁转矩作用下跟着电枢同方向旋转。 由上可知，无励磁电流时，爪极不会跟随电枢转动，相当于电枢与爪极“离开”，当给爪极加入励磁电流时，磁极即刻跟随电枢旋转，相当于电枢与爪极“合上”，故称为“离合器”。又因它是根据电磁感应原理工作的，爪极与电枢之间必须有转差才能产生涡流与电磁转矩，故又称“电磁转差离合器”。 3.1.10 爪极式转差离合器结构示意图 电磁转差离合器的磁极转速与励磁电流的大小有关。

12、励磁电流越大，建立的磁场越强，在一定转差率下产生的转矩越大。当负载一定时，励磁电流不同，转速就不同，只要改变电磁转差离合器的励磁电流，即可调节转速。 2.电磁调速异步电动机的控制线路 图3.1.11为电磁调速异步电动机的控制线路。 图3.1.11 电磁调速异步电动机的控制线路 3.2 三相异步电动机的变频调速技术 异步电动机变频调速所要求的变频电源有两种取得方法。方法之一是变频机组，变频机组由直流电动机和交流发电机组成，调节直流电动机转速就能改变交流发电机的频率；方法之二是变频器，即静止变频装置。 3.2.1变频器的结构及分类 变频器结构如图3.2.1所示。 图3.2.1变频器的基本组成 1.

13、变频器结构 通常三相变频整流电路由三相全波整流桥组成，主要作用是对工频交流电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。直流中间电路是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。 逆变电路是变频器最主要部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将中间电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几部分，也是变频器的核心部分。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运

14、算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极(基极)驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。 2.变频器类型 1）变频器按其结构型式可划分为交直交变频器和交交变频器两类。 2）变频器按电源性质又可划分为电压型变频器和电流型变频器两类。电压型变频器又称电压源变频器，具有电压源特性，如图3.2.2(a)所示。而电流型变频器，又称电流源变频器，具有电流源特性，如图3.2.2(b)所示。 (a)电压型变频器基本结构 (b)电流型变频器基本结构 图3.2.2 电压型与电流型交直交变频器基本结构 3）变频器按电压的调制方式分为PAM(脉幅调制)和PWM(脉宽调制)两类。 3.2.2 变频器的应

15、用举例 图3.2.3为台达M系列变频器在车床主轴上的外部接线 图。客户选配电机为3.0KW/50Hz/380V，选用变频器型号为 VFD037M43，制动电阻400W/150 1. 接线图 如图3.2.3所示，变频器AVI/GND端子提供与数控系统速度模拟量，AVI接数控系统模拟量接口正信号，GND接负信号，信号为0-10V模拟电压信号，控制主轴转速。 M0/M1/GND为变频器的正转/反转信号端子，通常由数控系统发出正转信号FWD或者反转REV，来驱动中间继电器，中间继电器的常开接点接入变频器M0/GND或者M1/GND，从而控制变频器的正反转。 2. 参数调整 1）P00参数为选择主频率输

16、入设定来源，设置为模拟信号0-10V输入（1）； 2）P01参数为运转信号来源设定，设置为外部端子信号控制（2）； 图3.2.3 台达M系列变频器在车床主轴上的外部接线图 3.3 直流电动机的控制电路 直流电动机按励磁方式可分为他励、并励、串励和复励。其 中他励为电枢电源与励磁电源分别独立的直流电机；并励、串励 和复励为电枢电源与励磁电源由一个电源供电时的直流电机。 3.3.1 直流电动机的基本控制线路 1.他励直流电动机的启动控制线路 直流电动机启动特点之一是启动冲击电流大，故在直流电动机的启动时，必须限制启动电流。通常规定：直流电动机的电枢瞬时电流，不得大于其额定电流的1.52.5倍。另一

17、特点是他励和并励直流电动机在弱磁或零磁时会产生飞车现象，因而在施加电枢电源前，应先接入或至少同时施加额定励磁电压，此外，励磁回路中应有欠磁保护。 限制启动电流的方法有减小电枢电压和电枢回路串电阻两种。图3.3.1所示为他励直流电动机电枢回路串两级电阻按时间原则启动控制电路。图中KI1为过电流继电器，KM1为启动接触器，KM2、KM3为短接启动电阻接触器，KT1、KT2为断电延时时间继电器，KI2为欠电流继电器，R3为放电电阻。 图3.3.1 他励直流电动机电枢回路串电阻启动控制电路 2.他励直流电动机正反转控制电路 直流电动机的转向取决于电磁转矩T的方向，而T=CTIa，其中CT为转矩常数，为

18、主磁通，Ia为电枢电流，因此改变电动机的旋转方向有两种方法：一是保持电枢两端的电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，从而改变磁通的方向；二是保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，使电枢电流改变方向。 图3.3.2是他励直流电动机电枢电压改变极性的正反转控制线路。图中KM1、KM2为正、反接触器，KM3、KM4为短接电枢电阻接触器，KT1、KT2为时间继电器，其工作原理与图3.3.1类似，此处不再重复。 图3.3.2 他励直流电动机电枢电压改变极性的正反转控制线路 3.他励直流电动机制动控制电路 直流电动机的制动与三相异步电动机相似，制动方法也有机械制动和电气制动两大类。机械制

19、动方法中常用的是电磁抱闸制动；电气制动方法中常用的有能耗制动、反接制动和发电制动三种。 1）能耗制动控制电路 能耗制动是指在维持直流电动机的励磁电源不变的情况下，把正在作电动运行的电动机电枢从电源上断开，再串接上一个外加制动电阻组成制动回路，将机械能(高速旋转的动能)转变为电能并以热能的形式消耗在电枢和制动电阻上。由于电动机因惯性而继续旋转，直流电动机此时变为发电机状态，则产生的电磁转矩与转速方向相反，为制动转矩，从而实现制动。 图3.3.3所示为他励直流电动机单向运转能耗制动控制电路。图中KM1为电源接触器， KM2、KM3为启动接触器，KM4为制动接触器，KI1为过电流继电器，KI2为欠电

20、流继电器，KV为欠电压继电器，KT1、KT2为时间继电器。 图3.3.3他励直流电动机单向运转能耗制动控制电路 2）反接制动控制线路 反接制动是在保持他励直流电动机励磁为额定状态不变的情况下，将电枢绕组的极性改变，则电流方向改变，从而产生制动转矩，迫使电动机迅速停止的一种制动方式。与异步电动机反接制动相同，在反接制动时应注意以下两点：其一是要限制过大的制动电流；其二是要防止电动机反向再启动。通常采用限流电阻进行限流，采用电流原则或速度原则进行反接制动控制。 图3.3.4为他励直流电动机的正反转启动和反接制动控制线路。该电路中，KI1、KI2、KT1、KT2、KM6、KM7组成保护和降压启动控制

21、，KM1、KM2实现正反转控制，欠电压继电器KV，接触器KM3、KM4、KM5、R3组成反接制动控制，R为励磁绕组的放电电阻。 图3.3.4 他励直流电动机的正反转启动和反接制动控制线路 3.3.2 直流电动机的调速 调速方法有机械调速、电气调速或机械电气相配合调速。根据直流电动机的转速公式n(UIaRa)Ce可知，直流电动机转速调节有以下三种方法。 (1)电枢回路串电阻调速； (2)改变电枢电压调速； (3)改变励磁电流调速 1.电枢回路串电阻调速 电枢回路串电阻调速是在电动机电枢电路中串联上外加调速电阻器Rs，调节Rs的大小来改变电动机的转速。 图3.3.5所示为他励直流电动机电枢回路串电

22、阻调速电路原理图。图3.3.5电枢串电阻调速原理图 其调整过程如下：RSIa(Ra+RS)电枢两端电压nRSIa(Ra+RS)电枢两端电压n 2.改变励磁调速 改变励磁调速是在他励直流电动机的励磁电路上串联一个可调电阻器RS，调节RS的大小，就可以改变励磁电流的大小，从而改变励磁通的大小，实现调速的目的。 图3.3.6为他励直流电动机改变励磁调速原理图。该电路的调速过程如下： RSIfn RSIfn 注意调节过程中，不论RS是大是小，励磁通均比未加RS时要弱，因此改变励磁调速只能将转速调节的比原转速高。而且需注意RS不能调得过大，以免使励磁电流If过小，太弱，转速n过高，产生“飞车”现象。 图

23、3.3.6直流电动机改变励磁调速原理图 3.改变电枢电压调速 改变电枢电压调速，需给电枢加一可调电源，这一直流可调电源多由可调整流装置完成。对于容量较大的直流电动机，一般用交流电动机直流发电机组作为电枢回路的直流可调电源，改变电枢两端电压，达到调速目的。这种机组称为发电机电动机组，即G-M机组，如图3.3.7所示。 图3.3.7 G-M改变电枢电压调速系统 图中M2为他励直流电动机，用来拖动生产机械；G1为他励直流发电机，它的电动势给直流电动机M2，作为M2的电枢电压；G2为并励直流发电机，产生恒定的直流电压U1，作为电动机M2和发电机G1的励磁电压，同时，供电给控制回路；M1为三相鼠笼异步电

24、动机，用来拖动直流发电机G1和励磁发电机G2运转；LG1、LG2、LM分别是G1、G2，M2的励磁绕组；RM、RG1、RG2为可调电阻器，用来调节M2、G1、G2的励磁电流；KI为过流继电器，作为M2的过载保护；KM1为正转控制接触器，KM2为反转控制接触器，SB1是停止按钮，SB2是启动按钮，SB3为反转启动按钮。 G-M调速系统工作过程如下： 预备启动过程： 正向启动过程： 调速过程： 制动过程： 反转过程： 3.4 步进电动机 步进电机又称为脉冲电机，它能将输人的脉冲信号变成电动机轴的步进转动，每输入一个脉冲信号步进电机就转动一步。 3.4.1步进电动机的结构和分类 步进电动机的种类很多

25、，按运动方式可分为旋转运动、直线运动和平面运动等几种；按工作原理可分为反应式、永磁式和永磁感应式等。其中反应式步进电动机又分为单段式和多段式两种形式。目前单段反应式步进电动机使用较多，且有一定的代表性，其结构如图3.4.1所示。图3.4.1三相反应式步进电动机结构图 3.4.2反应式步进电动机的工作原理 图3.4.2是三相反应式步进电动机的原理图。如图3.4.1所示的结构，它也是一种三相反应式步进电动机。在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，使当A相磁极的小齿与转子小齿一一对正时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。 如图3.4.2所示，当

26、A相绕组通以直流电时，转子被磁化，并被拉到与A相绕组轴线重合的位置。如果改为B相通电，转子就沿顺时针方向转过60，转到B相绕组的轴向位置，就前进一步，这个角度就叫步距角。每转到一个位置，转子能够自锁。图3.4.2三相反应式步进电动机原理图 从一个通电状态到另一种通电状态称为“拍”。比如从A相通电切换到B相通电状态称为一拍。每次只有一相绕组通电，称为“单拍”。“三相”是指三相绕组，如AA、BB、CC绕组。若绕组通电次序为ABCA，则转子运转方向为正转。反之，若绕组通电次序为ACBA，则转子运转方向为反转。上述三相步进电机每次只有一相绕组通电，在一个循环周期中换接三次，所以称为三相单三拍。如果A、

27、B两相同时通电，转子轴线便转至A、B两相之间的轴线上。这种按AC、CB、BA顺序两相同时通电的运行方式叫做三相双三拍运行方式。如果按两者组合方式A、AC、C、CB、B、 BA的方式通电，其步距角就变为原来的一半，这叫三相六拍运行方式。 当转子齿数为Z2时，N拍反应式步进电动机转每转一个齿距，相当于转过360/Z2，而每一拍转过的角度是齿距的1/N，因此可知步距角 02360bNZ 如果拍数增加一倍，步距角减小一半。对于Z2=40的步进电动机，三相三拍运行的步距角为b=360/(403)=3；而三相六拍运行的步距角为b=1.5。 若通电脉冲角频率为 f 时，由于转子每经过N Z2个脉冲旋转一周，故步进电动机每分钟的转速为 260 fnNZ 3.4.3 步进电机控制 1. 功率放大器 如图3.4.3所示为步进电机控制方框图。 功率放大器又称步进驱动器。 目前，应用较多的步进驱动主要有：高低压驱动；恒流斩波驱动；调频调压驱动；细分控制驱动。 图3.4.3步进电机控制方框图 1）高低压驱动 高低压驱动采用两组电源，如图3.4.4所示为高低压驱动原理图。当输人脉冲时，高压和低压控制回路分别产生与输入脉冲同步的脉冲信号VH和VL，使V1和V2同时导通，二极管VDl承受反向电压而截止，绕组由高压电源Ud1供电，使绕组上